В подсистеме АСОНИКА-ТМ все эти воздействия оказываются на плату через узлы крепления, при этом, задается частота или время действия и ускорение, также строится график изменения амплитуды (рисунок 8.1).

8.1 Гармоническая вибрация

Частота вибрации: 5-2000 Гц

Диапазон по ускорению: 0-10 g

Рис. 8.1 График воздействия

После моделирования процесса была получена амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) (рисунок 8.2). По графику видно, что наибольшее значение ускорения приобретается при частоте 1749 Гц.



Рис. 8.2 АЧХ при гармонической вибрации

По полю ускорений (рисунок 8.3) видно, что на элемент T2 приходится самая большая нагрузка.

Рис. 8.3 Поле ускорений

Поле механических нагрузок (рисунок 8.4) показывает, что у многих элементов он превышает допустимый.



Рис. 8.4 Поле механических нагрузок

Карта механических режимов (таблица 8.1) подтверждает наши выводы.



Таблица 8.1

Карта механических режимов ЭРИ

8.2 Случайная вибрация

Диапазон частоты: 1-2000 Гц

Диапазон по спектральной плотности: 1-100 g^2/Гц



Рис. 8.5 График воздействия

Поле ускорений (рисунок 8.6) при воздействии случайной вибрации показывает, что на плату оказывается большой влияние со стороны колебаний. Больше всего оно проявляет себя на граничных участках платы, где отсутствуют крепления.

Рис. 8.6 Поле ускорений



Рис. 8.7 Поле коэффициента механической нагрузки

Таблица 8.2

Карта механических режимов ЭРИ

По карте механических нагрузок (таблица 8.2) и по полю коэффициента нагрузки (рисунок 8.7) можно сказать, что элементы сильно перегружены. Необходимо вносить изменения в конфигурацию блока.

8.3 Одиночный удар

Диапазон времени ударного воздействия: 0.3-1 мс

Диапазон по ускорению: 0-150 g

Рис. 8.8 График воздействия

Распределение ускорения (рисунок 8.9) по участку платы можно считать равномерным, кроме четвертого участка. Но если обратить внимание на шкалу, то значения слишком велики.



Рис. 8.9 Поле ускорений

Карта режимов показывает (таблица 8.3), что перегрузки встречаются почти на каждом элементе.

Таблица 8.3

Карта механических режимов ЭРИ

8.4 Многократный удар

Диапазон времени ударного воздействия: 2-10 мс

Диапазон по ускорению: 0-5 g

Рис. 8.10 График воздействий

Поле ускорений многократного удара (рисунок 8.11) похоже на поле одиночного удара по распределению нагрузок по плате. Но максимальное значение по шкале намного ниже, чем в прошлом воздействии.

Рис. 8.11 Поле ускорений

Перегрузки встречаются только у первых семи элементов.

Таблица 8.4

Карта механических режимов ЭРИ

8.5 Линейное ускорение

Диапазон по времени: 0-1 мс

Диапазон по ускорению: 0-15 g

Рис. 8.12 График воздействия

Как и у других воздействий, больше всего подвержен перегрузкам четвертый участок платы (рисунок 8.13).



Рис. 8.13 Поле ускорений

Перегрузка встречается только у семи элементов платы.

Таблица 8.5

Карта механических режимов ЭРИ



8.6 Акустический шум

Диапазон частоты шума: 150-10000 Гц

Диапазон по давлению: 0-150 дБ

Рис. 8.14 График воздействия

По шкале ускорений видно (рисунок 8.15), что значения оказываемых на плату воздействий незначительны.

Рис. 8.15 Поле ускорений

Акустический шум, оказался единственным влиянием, после воздействия которого не появилось перегрузок.

Таблица 8.6

Карта механических режимов ЭРИ

Проведение механического моделирования показало, что печатный узел нуждается в доработках. Почти все воздействия вызвали перегрузку элементов, и значения коэффициента нагрузки оказывалось большим единицы. Если просмотреть полученные поля ускорений, то можно заметить, что большая часть перегрузок приходится на участки у краев платы.

Далее, будут предприняты попытки устранения перегрузок.



9. Улучшения конструкции блока

9.1 Предлагаемые конструктивные изменения платы

Анализ печатного узла показал, что необходимы изменения конструкции платы. Учитывая, что наибольшие перегрузки были получены при воздействии разного рода колебаний, следует попробовать изменить собственную частоту ПУ.

Для начала попробуем видоизменить существующие крепления. На данный момент имеется четыре цилиндрических крепления по периметру платы и четыре в её центральной части. Диаметр каждой из стоек составляет 7.5 мм, увеличим это значение в два раза.

Рассмотрим на примере воздействия многократного удара. По полю ускорений видно (рисунок 9.1), что участок, где находится элемент G2, больше всего подвержен влиянию.

Рис. 9.1 Поле ускорений

По карте механических нагрузок (таблица 9.1), только элемент S5 испытывает перегрузку.



Таблица 9.1

Карта механических режимов ЭРИ

Видоизменение креплений дало результаты, но при рассмотрении других воздействий, они оказались менее значительными. Увеличивать диаметр креплений дальше не имеет смысла.

Еще одним методом изменения собственной частоты ПУ является изменение параметров печатной платы. Можно увеличить её площадь, но этот вариант не подходит в данном случае, так как имеются ограничения конструкцией блока. Еще один способ, это изменить её толщину. На данный момент высота платы составляет два миллиметра. Увеличение должно быть в разумных пределах, самым предпочтительным вариантом будет считать толщину 4 мм.

Рассмотрим влияние того же многократного удара, стоит заметить, что картина поля (рисунок 9.2) противоположна прошлому случаю, самый уязвимый участок теперь находится на другой стороне платы.

Рис. 9.2 Поле ускорений

Карта механических режимов констатирует (таблица 9.2), что на элементах s1, s4 и DD2 остаются перегрузки.

Таблица 9.2

Карта механических режимов ЭРИ

Увеличение толщины платы дало эффект, но его оказалось мало. С учетом того, что края платы более всего подвержены нагрузкам, изменим крепление платы. Уберем цилиндрические стойки и вместо них поставим крепление по контуру печатной платы.

С изменением креплений картина поля (рисунок 9.3) ускорений сразу изменилась. Граничные участки платы не испытывают такой нагрузки, но теперь особого внимания требует центральная часть платы.

Рис. 9.3 Поле ускорений

По карте механических нагрузок (таблица 9.3) можно убедиться, что перегрузки исчезли.

Таблица 9.3

Карта механических режимов ЭРИ

Следующим шагом было совмещение двух последних способов. Остались крепления по периметру платы, толщина печатного узла составила 4 мм.

После реализации этих улучшений почти все перегрузки ушли. Рассмотрим линейное ускорение (рисунок 9.4). Как можно заметить, воздействия не оказывает почти никакого влияния на края платы.

Рис. 9.4 Поле ускорений

В карте механических режимов нет перегрузок.

Таблица 9.4

Карта механических режимов ЭРИ

Тем не менее, при моделировании случайной вибрации всё еще были выявлены перегрузки (таблица 9.5).

Таблица 9.5

Карта механических режимов ЭРИ

После изменения крепления платы, нагрузки сфокусировались в центральной части (рисунок 9.5). Можно попробовать добавить ребро жесткости. Предпочтительнее установить его на второй стороне платы.

Рис. 9.5 Поле ускорений

К сожалению, значительных результатов это изменение не дало, так как перегрузки остались почти такими же (таблица 9.6).

Таблица 9.6

Карта механических режимов ЭРИ

Обобщая все сделанные выводы, вернем центральные стойки - это позволит закрепить второй, третий, шестой и седьмой участки платы. Также оставим толщину платы 4 мм и краевые крепления, но не будем их делать сплошными. Многие элементы, такие как s1-s3 или s4-s6, расположены на границе печатной платы, стоит учитывать этот факт при фиксации платы и сохранять расстояния от объектов не менее 2-3 мм.

Проведем моделирование случайной вибрации. Поле ускорений показывает (рисунок 9.6), что области элементов G2 и DD1 испытывают самую большую нагрузку, но за счет оставшихся стоек оказываемое влияние уменьшено.

Рис. 9.6 Поле ускорений

По карте механических режимов (таблица 9.7) перегрузок не наблюдается.



Таблица 9.7

Карта механических режимов ЭРИ

Моделирование остальных воздействий, аналогично случайной вибрации, не выявило перегрузок.

9.2 Изменения в модели блока

Установка новых креплений на плату видоизменяет тепловую модель в подсистеме АСОНИКА-Т. Вместо графа, где стойки и плата передавали друг другу тепло путем кондукции, имеет место другая конструкция. На рисунке представлена видоизмененная модель (рисунок 9.7). Передача тепла между оставшимися стойками и участками платы осталась такая же, тепловой обмен между новыми креплениями и печатным узлом происходит через кондуктивную связь. Для удобства, эти крепления были разделены на участки в соответствии с платой.



Рис. 9.7 Часть новой модели в АСОНИКЕ-Т

Таблица 9.8

Новые наименования узлов представлены в таблице

№ Узла	Имя узла
1	Правая стенка
2	Основание
3	Левая стенка
4	крышка
5	Передняя стенка
6	задняя стенка
7	окружающая среда
8	стойка 2
9	стойка 3
10	стойка 6.1
11	стойка 7.1
12	участок 1
13	участок 2
14	участок 3
15	участок 4
16	участок 5
17	участок 6
18	участок 7
19	участок 8
20	Посадочное место
21	Стойка 6
22	Стойка 7
23	Стойка 2.1
24	Стойка 3.1
25	Крепление левой стенки
26	Крепление правой стенки
27	Крепление задней стенки 1
28	Крепление задней стенки 2
29	Крепление задней стенки 3
30	Крепление задней стенки 4
31	Крепление передней стенки 1
32	Крепление передней стенки 2
33	Крепление передней стенки 3
34	Крепление передней стенки 4

Моделирование было проведено при граничных температурах.

Таблица 9.9

Результаты при температуре окружающей среды 40°C и температуре посадочного места 40°C

№ Узла	Имя узла	Температура, °C
1	Правая стенка	41.3
2	Основание	40
3	Левая стенка	40.8
4	крышка	41.5
5	Передняя стенка	40.8
6	задняя стенка	40.8
7	окружающая среда	40
8	стойка 2	41.8
9	стойка 3	41.7
10	стойка 6.1	40.2
11	стойка 7.1	40.2
12	участок 1	49.4
13	участок 2	51.4
14	участок 3	53.4
15	участок 4	61.7
16	участок 5	59.6
17	участок 6	49.3
18	участок 7	51.3
19	участок 8	50.1
20	Посадочное место	40
21	Стойка 6	41.7
22	Стойка 7	41.7
23	Стойка 1.2	40.1
24	Стойка 1.3	40.3
25	Крепление левой стенки	40.8
26	Крепление правой стенки	41.3
27	Крепление задней стенки 1	40.8
28	Крепление задней стенки 2	40.8
29	Крепление задней стенки 3	40.8
30	Крепление задней стенки 4	40.8
31	Крепление передней стенки 1	40.8
32	Крепление передней стенки 2	40.8
33	Крепление передней стенки 3	40.8
34	Крепление передней стенки 4	40.8

Изменения в модели не понесли за собой серьезных изменений в значениях температур узлов. Это означает, что тепловой режим можно считать прежним.



Заключение

Проведение теплового моделирования для ВВБ космического аппарата «Метеор-М» показало, что блок сохраняет работоспособность при температурах окружающей среды, указанных в ГОСТ РВ 20.30.304-98 «Требование стойкости к внешним воздействующим факторам» для аппаратуры космического класса. Детальное изучение функционирования ЭРИ печатного узла при заданных граничных условиях выявило, что ЭРЭ DA9 имеет самый высокий коэффициент нагрузки, а элементы DA7 и DA8 являются наиболее уязвимыми, так как их температурный диапазон колеблется от -60°C до +70°C. Для решения первой проблемы было предложено внедрение тепловой шины, вторая проблема не вызвала дополнительных осложнений, благодаря грамотному размещению ЭРИ на печатной плате. Сохранению теплового режима поспособствовало конструкторское решение установки блока на посадочное место. Варьирования температуры посадочного места 0°C до +40°C хватает, чтобы препятствовать перегреву печатного узла.

Противоположная ситуация наблюдалась при проведении механического моделирования. Первоначальный вид платы испытывал перегрузки при всех шести видах воздействий. Проведенный анализ полей ускорений и последствий внедрения изменений конструкции блока и печатной платы, позволил прийти к одному из вариантов улучшений, при котором механические воздействия не оказывали критического влияния на блок. Одним из главных решений было обеспечить крепления печатной платы по её периметру, это позволило уменьшить нагрузку на её границах. Внесенные изменения не повлекли за собой критических изменений теплового режима, например, температура крышки блока изменилась только на 0.1°C при одинаковых внешних условиях.

Из всего изложенного можно заключить, что проведение теплового и механического моделирования в подсистемах АСОНИКА-Т и АСОНИКА-ТМ позволило выявить недостатки конструкции блока. Использование карт тепловых и механических режимов способствовало внедрению улучшений и понижению коэффициента нагрузок на ЭРИ. Проведенное исследование и его результаты могут быть использованы в дальнейшем.

Список литературы

1. Молодечкина, Т.В. Физические основы проектирования радиоэлектронных средств: учеб.-метод. комплекс для студентов специальности 1-39 02 01 «Моделирование и компьютерное проектирование РЭС». В 2 ч. Ч. 1 /Т. В. Молодечкина, В. Ф. Алексеев, М. О. Молодечкин. Новополоцк: ПГУ, 2013. - 204 с.

2. Муратов А.В. Способы обеспечения тепловых режимов РЭC: учеб. пособие/ А.В. Муратов, Н.В. Ципина. Воронеж: ГОУВПО “Воронежский государственный технический университет, 2007. 96 с.

3. Талицкий Е.Н. Защита электронных средств от механических воздействий. Теоретические основы: Учеб. пособие / Владим. гос. ун-т. Владимир, 2001.

4. Гордеева Е.В., Данилова Е.А., Кузина Е.А. Анализ современных способов защиты радиоэлектронных средств от механических внешних воздействий / Пензенский государственный университет, 2018.

5. ГОСТ РВ 20.39.304-98 «Требования стойкости к внешним воздействующим факторам».

6. Кофанов Ю.Н. Автоматизированная система АСОНИКА в проектировании радиоэлектронных средств: Учебно-методическое пособие. М.: МИЭМ НИУ ВШЭ, 2012. 58 с., ил. 46.

Приложение А

Таблицы расчетов в АСОНИКЕ-Т.

Таблица 1

Результаты при температуре окружающей среды -10°C и температуре посадочного места 40°C

Таблица 2

Результаты при температуре окружающей среды 0°C и температуре посадочного места 40°C

Таблица 3

Результаты при температуре окружающей среды -50°C и температуре посадочного места 40°C

Таблица 4

Результаты при температуре окружающей среды +50°C и температуре посадочного места 40°C

Таблица 5

Результаты при температуре окружающей среды 40°C и температуре посадочного места 0°C

Таблица 6

Результаты при температуре окружающей среды -10°C и температуре посадочного места 0°C



Приложение Б

Тепловой расчет в АСОНИКЕ-ТМ

Рис. 1 Поле температур при температуре окружающей среды -10°C и температуре посадочного места 40°C



Таблица 7

Карта тепловых режимов

Рис. 2 Поле температур поле при температуре окружающей среды 0°C и температуре посадочного места 40°C

Таблица 8

Карта тепловых режимов

Рис. 3 Поле температур поле при температуре окружающей среды +50°C и температуре посадочного места 0°C

Таблица 9

Карта тепловых режимов



Приложение В

Механическое моделирование после внесения некоторых изменений

Акустический шум

Рис. 4 Поле ускорений

Таблица 10

Карта механических режимов

Гармоническая вибрация

Рис. 5 Поле ускорений

Таблица 11

Карта механических режимов

Многократный удар

Рис. 6 Поле ускорений

Таблица 12

Карта механических режимов

Одиночный удар

Рис. 7 Поле ускорений

Таблица 13

Карта механических режимов

Приложение Г

Механическое моделирование после внесения конструктивных изменений

Гармоническая вибрация

Рис. 8 Поле ускорений

Таблица 14

Карта механических режимов

Одиночный удар

Рис. 9 Поле ускорений

Таблица 15

Карта механических режимов

Многократный удар

Рис. 10 Поле ускорений

Таблица 16

Карта механических режимов

Линейное ускорение

Рис. 11 Поле ускорений

Таблица 17

Карта механических режимов

Акустический шум

Рис. 12 Поле ускорений

Таблица 42

Карта механических режимов



Приложение Д

Повторный расчет модели тепловых процессов блока в АСОНИКА-Т

Таблица 18

Результаты при температуре окружающей среды -10°C и температуре посадочного места 40°C

№ Узла	Имя узла	Температура, °C
1	Правая стенка	36.6
2	Основание	39.9
3	Левая стенка	36.3
4	крышка	35.1
5	Передняя стенка	36.5
6	задняя стенка	36.6
7	окружающая среда	-10
8	стойка 2	35.5
9	стойка 3	35.4
10	стойка 6.1	40
11	стойка 7.1	40.1
12	участок 1	46.4
13	участок 2	48.3
14	участок 3	50.5
15	участок 4	58.5
16	участок 5	56.8
17	участок 6	46.2
18	участок 7	48.3
19	участок 8	46.7
20	Посадочное место	40
21	Стойка 6	35.3
22	Стойка 7	35.4
23	Стойка 2.1	40
24	Стойка 3.1	40.1
25	Крепление левой стенки	36.3
26	Крепление правой стенки	36.7
27	Крепление задней стенки 1	36.6
28	Крепление задней стенки 2	36.6
29	Крепление задней стенки 3	36.6
30	Крепление задней стенки 4	36.6
31	Крепление передней стенки 1	36.5
32	Крепление передней стенки 2	36.5
33	Крепление передней стенки 3	36.5
34	Крепление передней стенки 4	36.5

Таблица 19

Результаты при температуре окружающей среды 40°C и температуре посадочного места 0°C

№ Узла	Имя узла	Температура, °C
1	Правая стенка	5.58
2	Основание	0.11
3	Левая стенка	4.87
4	крышка	7.37
5	Передняя стенка	4.69
6	задняя стенка	4.65
7	окружающая среда	40
8	стойка 2	7.67
9	стойка 3	7.61
10	стойка 6.1	0.38
11	стойка 7.1	0.45
12	участок 1	15.8
13	участок 2	18.4
14	участок 3	21
15	участок 4	30.5
16	участок 5	29.4
17	участок 6	15.5
18	участок 7	18.1
19	участок 8	16.2
20	Посадочное место	0
21	Стойка 6	7.51
22	Стойка 7	7.57
23	Стойка 2.1	0.28
24	Стойка 3.1	0.48
25	Крепление левой стенки	4.88
26	Крепление правой стенки	5.64
27	Крепление задней стенки 1	4.66
28	Крепление задней стенки 2	4.65
29	Крепление задней стенки 3	4.68
30	Крепление задней стенки 4	4.65
31	Крепление передней стенки 1	4.71
32	Крепление передней стенки 2	4.72
33	Крепление передней стенки 3	4.73
34	Крепление передней стенки 4	4.71

Таблица 20

Результаты при температуре окружающей среды -10°C и температуре посадочного места 0°C

№ Узла	Имя узла	Температура, °C
1	Правая стенка	0.7
2	Основание	0.01
3	Левая стенка	0.13
4	крышка	0.55
5	Передняя стенка	0.17
6	задняя стенка	0.19
7	окружающая среда	-10
8	стойка 2	0.95
9	стойка 3	0.86
10	стойка 6.1	0.22
11	стойка 7.1	0.29
12	участок 1	12.6
13	участок 2	15.2
14	участок 3	18
15	участок 4	27.1
16	участок 5	26.5
17	участок 6	12.3
18	участок 7	15
19	участок 8	12.4
20	Посадочное место	0
21	Стойка 6	0.75
22	Стойка 7	0.83
23	Стойка 2.1	0.15
24	Стойка 3.1	0.32
25	Крепление левой стенки	0.14
26	Крепление правой стенки	0.75
27	Крепление задней стенки 1	0.21
28	Крепление задней стенки 2	0.19
29	Крепление задней стенки 3	0.22
30	Крепление задней стенки 4	0.19
31	Крепление передней стенки 1	0.19
32	Крепление передней стенки 2	0.2
33	Крепление передней стенки 3	0.2
34	Крепление передней стенки 4	0.18

Таблица 21

Результаты при температуре окружающей среды -50°C и температуре посадочного места 40°C

№ Узла	Имя узла	Температура, °C
1	Правая стенка	34.4
2	Основание	39.9
3	Левая стенка	34.1
4	крышка	32
5	Передняя стенка	34.4
6	задняя стенка	34.5
7	окружающая среда	-50
8	стойка 2	32.4
9	стойка 3	32.3
10	стойка 6.1	40
11	стойка 7.1	40
12	участок 1	44.9
13	участок 2	46.8
14	участок 3	49.1
15	участок 4	57
16	участок 5	55.4
17	участок 6	44.8
18	участок 7	46.8
19	участок 8	45.1
20	Посадочное место	40
21	Стойка 6	32.2
22	Стойка 7	32.3
23	Стойка 2.1	39.9
24	Стойка 3.1	40
25	Крепление левой стенки	34.1
26	Крепление правой стенки	34.4
27	Крепление задней стенки 1	34.6
28	Крепление задней стенки 2	34.5
29	Крепление задней стенки 3	34.6
30	Крепление задней стенки 4	34.6
31	Крепление передней стенки 1	34.5
32	Крепление передней стенки 2	34.5
33	Крепление передней стенки 3	34.5
34	Крепление передней стенки 4	34.4

Размещено на Allbest.ru

...